基于精英保留遗传算法的连续结构多约束拓扑优化

采用遗传算法对应力、位移及结构约束下的连续体结构进行拓扑优化。通过在遗传算法中引入精英保留的进化策略,保证算法的收敛性,改善优化结果。优化过程中,利用精英保留遗传算法进行结构优化,通过基于ANSYS软件的有限元技术进行结构的建模和分析。算例分析表明所提出的方法是合理、有效的。该方法可用于复杂工程结构的初始设计,并能够提供多种初始设计方案。      

机翼结构拓扑优化的一种新渐进结构优化方法

基本ESO方法存在着删除准则单一,应用范围局限于简单结构的缺点,本文分析了其用于类似飞机机翼这种复杂结构拓扑优化设计中的不足之处,并进行针对性地改进,提出了一种新的删除准则,构成了一种新的渐进结构优化方法。算例表明,该方法适合于复杂机翼结构的拓扑优化问题,拓展了基本渐进结构优化方法的功能,有着很好的推广应用价值。     

Topology optimization of support structure of telescope skin based on bit-matrix representation NSGA-II

Non-dominated sorting genetic algorithm II（NSGA-II）with multiple constraints handling is employed for multi-objective optimization of the topological structure of telescope skin,in which a bit-matrix is used as the representation of a chromosome,and genetic algorithm（GA）operators are introduced based on the matrix.Objectives including mass,in-plane performance,and out-of-plane load-bearing ability of the individuals are obtained by fnite element analysis（FEA）using ANSYS,and the matrix-based optimization algorithm is realized in MATLAB by handling multiple constraints such as structural connectivity and in-plane strain requirements.Feasible confgurations of the support structure are achieved.The results confrm that the matrix-based NSGA-II with multiple constraints handling provides an effective method for two-dimensional multi-objective topology optimization.     

响应面拟合法在机翼结构优化中的应用研究

在飞机结构优化设计中,针对循环利用有限元软件寻优耗时大、收敛比较慢的状况,本文采用了一种基于响应面多项式拟合方法对机翼结构进行优化。以某平直机翼为例,该方法从建立机翼结构的有限元模型出发,结合正交试验设计方法,经过对比,采用比较新颖的最大差值极小化法,建立机翼的二次响应面近似模型;在此基础上,以整个机翼结构质量最小化为目标,最大位移和最大应力为约束,把机翼划分为多个区域,选取各区域蒙皮厚度和全部肋腹板厚度为设计参数,建立数学优化模型,用ISIGHT集成MATLAB的方法,采用序列二次规划法进行优化。优化的结果表明,采用该方法对该平直机翼进行优化,在满足机翼刚度和强度的情况下,能有效降低机翼质量,并且避免了多次重复调用有限元软件进行计算,迭代次数仅为34次,优化效率明显提高。     

应力和位移约束下连续体结构的拓扑优化

结构拓扑优化设计是结构初始方案设计的重要方法。同时考虑应力和位移约束,采用遗传算法,用染色体基因映射结构离散化后的单元体,对连续体结构进行拓扑优化。为了消除结构中的铰接和棋盘格现象,在拓扑优化分析中引入了结构约束的概念,并在罚函数方法中引入导向因子,改善优化分析结果。该方法可以为工程结构的初始设计提供多种方案,同时为新结构的设计提供了理论基础。算例分析表明所提出的方法是合理、有效的。     

有效载荷基频降低对火箭动特性的影响

为了分析有效载荷基频降低对火箭动特性的影响规律,采用纵横扭一体化梁模型与耦合质量方法模拟箭体承力结构与液体推进剂,使用NASTRAN中的RBE2单元模拟芯级与助推器连接接头.通过修改有效载荷有限元模型以得到不同的有效载荷基频,选取飞行过程中的四个典型秒状态,计算三种不同有效载荷基频下全箭的前九阶固有振动频率.结果表明：纵横扭一体化梁模型在进行全箭动特性分析时模型简单,结果满足要求,可用于设计初期的模态分析;同时,分析得到基频降低对全箭动特性的影响规律,给卫星设计人员提供了相关依据.     

一种高效的CFD/CSD耦合飞行器多学科优化设计方法

建立了一种基于CFD/CSD (computational fluid dynamics/computational structure dynamics)耦合的多学科优化设计方法.该方法采用结构有限元方程进行结构特性分析,同时采用数值求解N-S方程方法获得气动载荷,保证了设计结果的可信性,并采用基于代理模型的优化设计方法解决了采用高精度模型后计算量太大的问题.采用RBF(径向基函数)插值方法进行流固耦合界面数据插值,保证了传递过程中的能量守恒.利用建立的优化设计方法对一典型的翼身组合体进行了气动和结构优化设计,算例表明在满足约束条件的前提下优化后阻力和质量分别减小了5.0%和4.2%,证明了该方法的有效性.      

多孔多裂纹平板的疲劳裂纹扩展试验与分析方法

飞机结构广布疲劳损伤是目前大型客机损伤容限设计与分析的难点。通过试验研究了典型多孔多裂纹2024-T3铝合金平板的裂纹扩展行为。试验结果表明：相邻孔边裂纹之间的相互干扰明显降低了共线多裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命。就本文研究的典型多孔板,所有孔边都出现了等长裂纹这一极端情况,其裂纹扩展寿命是单孔平板孔边裂纹扩展寿命的10%左右。本文采用Eshelby夹杂理论和权函数法给出了典型多孔多裂纹问题的应力强度因子近似解析解,并结合Paris裂纹扩展公式预测疲劳裂纹扩展寿命。与采用有限元法获得应力强度因子并预测多孔多裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命进行对比,对比结果表明：采用解析解和有限元解获得的应力强度因子预测的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果吻合良好;相比于有限元法,本文的应力强度因子解法简单、高效,将有助于飞机结构多位置损伤（MSD）的疲劳裂纹扩展寿命预测分析。     

考虑鸟撞的航空发动机叶片动态拓扑优化设计

为了实现航空发动机冷端风扇叶片在考虑鸟撞情况下的轻量化设计,从结构拓扑优化计算的角度出发,对该问题展开深入的研究并提出具体的解决方案。针对叶片优化中存在的优化模型建立,结构动态工况优化,多条件约束并存处理,多工况联合优化等关键问题,进行了理论上的深入分析研究,阐述了结构多约束、多工况动态优化的理论基础,并结合相应的数值计算平台,提出了风扇叶片分步优化计算的方案,对航空发动机叶片进行拓扑优化计算。计算结果显示,最终的叶片轻量化结构满足所有鸟撞与离心载荷多工况的优化约束条件,拓扑结构中材料分布合理,在满足适航条例强度要求的同时质量减少达37.9%,具有一定的实际参考应用价值,同时所提出的动态优化计算方案,在工程结构的动态优化中具有广阔的应用前景。     

机翼结构重量预测的多学科分析优化方法

为了克服现有机翼结构重量计算方法的局限性,提出一种基于多学科分析优化的机翼结构重量计算方法。以客机机翼为例,阐述整个计算流程。计算流程的关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型的自动生成和结构优化。应用CAD软件CATIA的二次开发方法,实现机翼外形几何模型、结构布置几何模型和气动分析模型的自动生成;应用MSC.Patran的PCL编程技术,实现结构有限元模型的自动生成;应用等效刚度和等效强度方法,提高结构有限元模型自动生成的稳健性,缩短结构分析和优化的计算时间;应用多学科集成和优化技术,建立机翼结构重量预测的计算平台,实现整个计算过程的自动化。算例表明这种方法稳健、有效,可快速地分析机翼外形参数与结构重量之间的关系,分析不同展向载荷分布和不同选材方案对机翼结构重量的影响。     

一种新的有限元线性方程组的求解算法

本文采用链表数据结构存储有限元结构总体刚度矩阵,对一有限元结构分析系统进行了改进。算例表明,改进后的系统可使存储总体刚度矩阵所需内存及分解总刚阵时间分别下降到原系统的1/2～1/4,大大提高了计算机的解题能力和执行效率。该系统可在微机上进行大型复杂结构的受力分析。     

惯性平台轴端结构仿真分析与改进设计

轴端结构是惯性平台系统的主要承载部件,并且实现平台环架结构的转动自由度。因此,轴端构件需要具备足够结构强度和刚度保证惯性平台系统在空间飞行、地面运输等振动冲击工况下可靠工作。本文以某型号惯性平台轴端结构件为研究对象, 探讨了轴端结构件的有限元分析方法。利用HyperWorks 11.0分析软件, 进行了结构静力和模态分析,并对原始的模型结构进行了改进设计。改进后的轴端机盖在相同工况下,结构的强度和刚度上均得到有效提高。     

耦合多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼设计

以某型手抛式太阳能无人机(UAV)模型为对象进行考虑多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼平面形状设计研究。首先,基于升力面理论发展了准定常求解多螺旋桨/机翼相互气动干扰问题的涡格法(VLM)程序,并采用建立参考翼型气动特性数据库的形式发展了相关低雷诺数修正(LRC)方法;然后,通过对翼型、低雷诺数机翼及单螺旋桨/机翼算例的数值模拟及与相关实验结果的对比,验证了本文数值方法具备模拟低雷诺数复杂流动问题的可靠性及准确性;最后,对某型手抛式太阳能无人机简化拉力多螺旋桨/机翼模型进行了直接优化设计及反设计,并通过具有较高精度的CFD准定常求解技术对优化结果进行了验证。结果表明:以CFD方法计算结果为参考,本文涡格法程序及低雷诺数修正方法能够准确高效地计算相关低雷诺数复杂流动问题;传统未考虑多螺旋桨滑流影响的设计机翼在实际螺旋桨工作状态下将偏离设计点,机翼气动特性得不到提高;考虑螺旋桨滑流影响的优化设计方法能够有效改善机翼阻力特性,相对应地,在设计状态下优化机翼总阻力能够降低19.52counts。     

基于参数化有限元方法的机翼重量预测

为飞机总体设计阶段提供一种快速而较精确的机翼重量预测方法。该方法是将参数化几何建模和参数化有限元建模方法相结合,快速地建立机翼结构有限元模型。通过应用CATIA二次开发技术,实现机翼结构布置模型的自动生成;通过运用PATRAN的PCL语言,实现结构有限元模型的自动生成;通过应用优化方法,确定出结构尺寸,进而计算出机翼重量。算例表明,本方法可快速地分析不同结构布置方案和不同材料方案的机翼重量,适用于飞机总体方案设计阶段机翼重量计算。     

Multi-scale design and optimization for solid-lattice hybrid structures and their application to aerospace vehicle components

By integrating topology optimization and lattice-based optimization, a novel multi-scale design method is proposed to create solid-lattice hybrid structures and thus to improve the mechanical performance as well as reduce the structural weight. To achieve this purpose, a two-step procedure is developed to design and optimize the innovative structures. Initially, the classical topology optimization is utilized to find the optimal material layout and primary load carrying paths. Afterwards, the solid-lattice hybrid structures are reconstructed using the finite element mesh based modeling method. And lattice-based optimization is performed to obtain the optimal cross-section area of the lattice structures. Finally, two typical aerospace structures are optimized to demonstrate the effectiveness of the proposed optimization framework. The numerical results are quite encouraging since the solid-lattice hybrid structures obtained by the presented approach show remarkably improved performance when compared with traditional designs.     

随机振动响应下的组件结构布局优化设计

 从工程应用需求出发,研究了随机振动载荷作用下的组件结构布局优化问题。提出采用有限包络圆族描述组件外形轮廓的近似方法,有效解决了设计过程中预防组件干涉的问题;建立了随机振动响应分析有限元模型,并对模型进行了实验验证与结果分析。在此基础上,以随机振动载荷下特定点自由度响应均方根（RMS）值之和最小为目标函数建立了组件布局通用优化设计模型,研究了单一组件与4组件问题的布局优化问题,并分别采用梯度优化算法和遗传算法进行优化求解比较研究。结果表明,所提出的设计方法能够有效地实现随机振动响应下的组件结构布局优化设计,两种优化算法均能显著降低结构关键部位的动力学响应。     

Structural optimization of elliptical-tip star propellant grain using sub-problem approximation

A method is presented here for structural optimization of elliptical-tip star grain.The grain structural integrity was improved by minimizing the most critical area of inner bore hoop strain during cool down.Optimization was done by sub-problem approximation method in conjunction with finite element analysis.Both radii of the ellipse were varied during optimization to find the optimal ellipse.The optimization resulted in grain geometry having minimum level of Inner bore hoop strain without violating the preset limits of burning perimeter.The von mises strain at grain inner bore was also reduced in resultant grain.      

降低发动机管道振动的优化设计

介绍了消减发动机管道振动的结构优化方法。该方法在管道结构(走向、主要支点)基本确定的情况下能够给出使危险点的振动能量最小的附设卡箍的位置、刚性及阻尼。在对原管道结构进行有限元计算的基础上, 全部分析过程限制在附设卡箍的位置, 激振点及危险点之间。整个迭代过程不需重新进行有限元计算, 具有效率高的特点。文章最后给出一根滑油导管的算例。      

基于递阶遗传算法的结构多损伤监测

基于递阶遗传算法(HGA)与结构优化思想,提出了一种针对欧拉-伯努利梁和二维板结构的多损伤监测方法.该方法利用递阶遗传算法的控制基因表示损伤的数量和位置,以参数基因表示损伤的程度,有效地避免了传统遗传算法(CGA)的早熟现象所造成的损伤误识别等问题.一个悬臂梁和悬臂方板结构模型的多损伤监测仿真计算表明该方法能够准确地监测一、二维结构中多个位置的损伤,而传统遗传算法难以识别二维结构中的多损伤情况.悬臂梁仿真算例中,该方法和传统遗传算法对多损伤程度的识别误差分别为0.144%和1.819%,所需的有限元计算次数该方法仅为传统遗传算法的16.4%.与传统遗传算法相比,递阶遗传算法明显提高了损伤识别方法的计算效率、精度和稳定性.      

基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化

针对复合壳阻尼结构的拓扑减振优化问题，以约束阻尼层的有限单元为设计变量，采用体积比、模态频率和振型为优化约束条件，构建以多模态权重系数的结构模态损耗因子数值关系为优化目标函数的拓扑减振优化模型。为了拓展优化目标灵敏度具有不局限于某一变密度法插值模型的形式，推导了数值表达式的一般函数式。动力学优化中优化目标灵敏度正、负数集共存，使得非凸性的目标函数设计变量出现负值或优化函数寻优于局部极值点。为此，推导出复合壳阻尼结构的全域灵敏度改进优化准则法迭代格，以确保每次迭代域均为全域设计变量集。结合有限单元法编程实现了复合壳阻尼结构改进准则法，并对复合壳结构进行拓扑减振优化分析。结果表明：在敷设体积减为全覆盖的50%时，复合壳结构的模态损耗因子增减偏差为10%，具有提升减振的轻量化设计目的；各阶目标函数和拓扑构型所需的迭代次数少，中间密度区域较小，多阶优于单阶模态优化函数，易于获得全域寻优的有效减振。